協力的RSMAを使ったアップリンク通信の進展

ワイヤレスコミュニケーションの急速な成長は、高速データを効果的に提供するソリューションを求めている。今は第6世代（6G）のワイヤレス技術に焦点が当てられていて、超信頼性が高く、高スループットの通信を最小限の遅延で提供することを目指している。この新しい世代は、スマートフォンやタブレットのようなデバイスの増加によって無線スペクトラムが混雑するため、いくつかの課題に直面している。この問題を解決するために、革新的なマルチプルアクセス（MA）技術が開発されている。

ひとつの有望なアプローチは、レートスプリッティングマルチプルアクセス（RSMA）って呼ばれてるやつ。RSMAは、いくつかの信号をノイズとして扱いつつ、他の信号をデコードすることで通信の干渉を管理するのを助ける。基地局は、信号を共通部分とプライベート部分に分けて、より良い送信ができるようにしている。でも、RSMAは、最も弱いユーザーの信号が全体のパフォーマンスを制約する時に限界があることもある。それを克服するために、研究者たちはRSMAと協調通信を組み合わせたC-RSMAを生み出した。C-RSMAでは、強い接続のユーザーが弱い接続のユーザーを助けることで、信号の質と全体のパフォーマンスが向上する。

ほとんどの研究が基地局からユーザーへの信号送信に焦点を当てている一方で、ユーザーから基地局への信号送信であるアップリンクシナリオはあまり探求されていない。この記事では、ユーザーのペアリングとリソースの効果的な割り当てに焦点を当てながら、アップリンクのマルチユーザー環境におけるC-RSMAを検討する。

#背景

#高度なワイヤレスコミュニケーションの必要性

6Gに向けて、以下のような特定の要件を満たす必要が急務である：

• 高い信頼性とスループット
• 様々なサービスクオリティ（QoS）のニーズ
• 低遅延
• 高い接続性

これらの要件は、超信頼性の低遅延通信（eURLLC）や強化モバイルブロードバンド（eMBB）などのアプリケーションには重要だ。無線ネットワークを利用するデバイスの増加はこれらの要求を複雑にして、MA技術の改善がさらに求められている。

#レートスプリッティングマルチプルアクセス

RSMAは、干渉を効果的に管理する非直交MAメカニズムとして注目を集めている。信号の一部をデコードしつつ、残りの干渉をノイズとして扱うことができる。ユーザーの信号を共通部分とプライベート部分に分けることで、RSMAは通信効率を高める。基地局は、共通ストリームを逐次干渉キャンセリング（SIC）を使ってデコードし、プライベートストリームを干渉として扱う。この柔軟性により、RSMAはスループットやエネルギー効率の面で従来の方法（空間分割マルチプルアクセス（SDMA）や非直交マルチプルアクセス（NOMA））を上回ることができる。

それでも、RSMAは、全てのユーザーが共通ストリームをデコードする必要がある場合にパフォーマンスの問題で苦労することがある。そこで、協調通信をRSMAに組み合わせることでC-RSMAが生まれ、セルセンターのユーザー（CCU）がセルエッジのユーザー（CEU）を助けることで接続が弱いユーザーのパフォーマンスを向上させる。

#キーコンセプト

#アップリンクRSMAとC-RSMA

基地局からユーザーへのデータ送信を含むダウンリンクシナリオとは異なり、アップリンクRSMAでは、複数のユーザーが同時に基地局に信号を送信できる。ユーザーはメッセージを異なる部分に分けることができ、NOMAに比べて柔軟性が増す。

C-RSMAはさらに進んで、CCUとCEUをペアにして基地局に送信する信号を最適化し、干渉を最小限に抑える。このペアリングは、システムが同時にどれだけ情報を送信できるかを測る合計レートを最大化するべきだ。

#ユーザーペアリングとリソース割り当て

C-RSMAのアップリンクを確立するには、効果的なユーザーペアリングとリソース割り当てが不可欠だ。目標は、パフォーマンスを高めつつペア間の干渉を管理するために、CCUとCEUをチャンネル条件に基づいてペアにすることだ。ペアリング後、ユーザーごとのデータレートの要求を満たすように、パワーと時間スロットの割り当ても最適化する必要がある。

#問題提起

アップリンクC-RSMAの合計レートを最大化するための強力なソリューションが必要だ。以下の目標をクリアする必要がある：

1. ユーザーペアリング：干渉を最小化し、パフォーマンスを最大化するためにCCUとCEUを効率的にペアリングする。
2. リソース割り当て：通信のためのパワー使用と時間スロットを最適化して、全てのユーザーがQoS要件を満たすようにする。

問題の複雑さのため、全体の目標を管理可能な部分に分けるステップバイステップのアプローチを取る必要がある。

#提案されたソリューション

#最適化フレームワーク

この問題を効果的に解決するために、提案されたソリューションはチャレンジを2つの主要部分に分けている：

1. ユーザーペアリング：最適なCCU-CEUペアを特定するために半直交ユーザー選択法を開発する。
2. リソース割り当て：干渉を最小限に抑える低複雑度アルゴリズムを使用して、各ペアのパワーと時間スロットを割り当てる。

#ユーザーペアリング戦略

ユーザーペアリング戦略は2つのフェーズから成る：

1. CCUの選定：半直交ユーザー選択（SUS）アルゴリズムを使ってCCUを選ぶ。このアルゴリズムは、選ばれたCCUが干渉を最小化するために半直交であることを保証する。
2. CEUの選定：CCUを特定した後、マッチングゲーム（MG）アプローチを使ってチャンネル条件に基づいてCEUを選ぶ。このマッチングのユーティリティ関数は、CCUとCEUの間のパフォーマンスの可能性を測る。

#リソース割り当て戦略

ペアが決まったら、次はリソースを効果的に割り当てる：

• CCUとCEUのために送信パワーをペアに基づいて割り当てる。
• 通信フェーズの時間スロットを決定する：直接送信（DT）フェーズと協調送信（CT）フェーズ。

DTフェーズでは、CEUが信号を送信し、基地局とCCUが受信する。次のCTフェーズでは、CCUがCEUからデコードした信号を基地局に中継し、その過程で信号を組み合わせる。

#シミュレーション設定

提案されたソリューションを評価するために、膨大なシミュレーションを行う必要がある。シミュレーション環境は以下を含む：

• ネットワークモデル：基地局と複数のユーザーを持つ単一セルC-RSMAシステム。
• チャネル条件：パスロスやフェーディングのさまざまなスケーリングファクターを考慮する。
• パフォーマンス指標：異なるユーザーペアリングとリソース割り当て戦略の下での合計レート性能を測定する。

#結果と議論

#収束分析

シミュレーションの結果、提案されたC-RSMAアルゴリズムは数回の反復内で効率的に収束することが示された。合計レートは反復が進むにつれて着実に増加し、提案されたペアリングとリソース割り当て戦略の効果が示されている。

#メッセージの分割の影響

実験では、メッセージを分割することでパフォーマンスが大幅に向上することがわかった。ただし、最適なパフォーマンスは、各ペアリングで一つのユーザーメッセージだけが分割され、もう一つのメッセージがそのままである時に達成されることが示された。このアプローチにより、ユーザーは柔軟なデコードの利点を活かすことができる。

#デコード順序

ユーザーメッセージのデコード順序はパフォーマンスに影響する。いくつかのデコード戦略がテストされ、いくつかの構成が他よりも優れたパフォーマンスを示した。高い合計レートを確保するための最適なデコード順序は、信号の明瞭さを損なうことなく干渉管理を最大限に活かすものとして浮かび上がった。

#パワーバジェットの変動

シミュレーションでは、CCUとCEUの両方のパワーバジェットの変動がパフォーマンスに与える影響も分析した。パワーバジェットの増加は合計レートを改善し、協調戦略は常に非協調スキームを上回っていた。これは、ユーザーの位置に関わらず効果的なコミュニケーションに必要なパワー配分の重要性を強調している。

#レートスレッショルドの影響

CEUのレートスレッショルドが増加すると、パワーが不足していると合計レートが下がる傾向がある。協調スキームは、閾値が上昇しても常に良好なパフォーマンスを維持し、厳しい条件下での強さを示している。

#結論

この記事では、アップリンクC-RSMA環境での合計レート最大化に関する包括的な研究を提供し、ユーザーペアリングとリソース割り当て戦略に焦点を当てた。協調通信の原則を活用することで、効果的なユーザーペアリングがパフォーマンスを大幅に改善できることを示した。この提案されたソリューションは、6G基準に向けて進む未来のワイヤレス通信システムに約束を示している。

発見は、ユーザーペアリングとリソース割り当てへの特化したアプローチの重要性を強調し、ますます混雑するワイヤレス環境でのより効率的で回復力のある通信戦略の開発に貴重な洞察を提供する。今後の研究では、これらの戦略を洗練させ、実世界のアプリケーションにおけるその影響を探求することが奨励されており、将来の通信システムが成長する要求に効率的かつ効果的に応えることを確実にする。